Revista Nexos Científicos ISSN: 2773-7489
Julio –Diciembre 2018 pp. 28-37 Correo: editor@istvidanueva.edu.ec
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28
1.
1
INTRODUCCIÓN
La robótica es una rama de la ingeniería que se
ocupa del diseño, construcción, operación,
disposición estructural, manufactura y aplicación de
los robots. Un robot escalador es un agente artificial
mecánico usado para realizar diversas tareas,
programado a través de una computadora. (Carter,
2006)
Ha surgido la necesidad de crear máquinas que
ayuden al hombre a realizar trabajos con mayor
eficacia y precisión, en el sector industrial demanda
la elaboración de robots con características
específicas para determinadas tareas de supervisión,
1. Ingeniero en Electrónica y Control, luis.toca@istvidanueva.edu.ec
2. Tecnólogo en Electromecánica , Instituto Superior Tecnológico Vida
Nueva, nestor.maiquiza@istvidanueva.edu.ec
inspección y mantenimiento en zonas de difícil
acceso.
Los robots escaladores permiten realizar trabajos
que es complicado realizar por el ser humano, ya
que ha posibilitado la reducción de costos y riesgos
en el área industrial y de construcción, por lo cual el
estudio de su elaboración tiene una gran importancia
para el avance tecnológico. (Cuartielles, 1999)
En el año 1990 en el país de los Estados Unidos los
primeros genios de la robótica de la universidad de
California realizan un estudio para diseñar y
construir los primeros robots escaladores, que tienen
la capacidad de subir a lo largo de diversas
estructuras, para realizar trabajos en áreas que son
Diseño y construcción de dos robots escaladores con normativas técnicas del
Concurso Ecuatoriano de Robótica
Toca Luis
1
; Maiquiza Néstor
2
1
Instituto Superior Tecnológico Vida Nueva, Quito-Ecuador, luis.toca@istvidanueva.edu.ec
2
Instituto Superior Tecnológico Vida Nueva, Quito-Ecuador, nestor.maiquiza@istvidanueva.edu.ec
Resumen: En este artículo se analizara el diseño y construcción de dos robots escaladores de
paredes metálicas con las especificaciones técnicas del Concurso Ecuatoriano de Robótica en el
cual se analizara dos diferentes estructuras y formas de tracción para el desplazamiento en forma
vertical en paredes metálicas de una altura de dos metros. Los robots serán completamente
autónomos y se detallar los elementos electrónicos y mecánicos diseñados para la obtención de
una estructura con un motor de tracción y otra estructura con dos motores de tracción diferencial.
Palabras clave: Robot, escalador, tracción, motor, paredes, autónomo.
Design and construction of two climbing robots with technical regulations of the
Concurso Ecuatoriano de Robótica
Abstract: In this article, the design and construction of two metal wall climbing robots will be
analyzed with the technical specifications of the Ecuadorian Robotics Contest in which two
different structures and forms of traction for vertical displacement in metal walls of a height of
two meters. The robots will be completely autonomous and the electronic and mechanical
elements designed to obtain a structure with a traction motor and another structure with two
differential traction motors will be detailed.
Keywords: Robot, climber, traction, motor, walls, autonomous.
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peligrosas o de difícil acceso, por ejemplo, en la
inspección y mantenimiento de puentes, antenas de
comunicación y al interior de estructuras de la
industria nuclear.
A menudo, las estructuras metálicas se componen
de una serie de vigas que se juntan mecánicamente,
y se puede representar con elementos prismáticos
alargados de sección y de dimensión variable. En
muchos casos, se ha sugerido utilizar robots
trepadores con cuerpos articulados y patas múltiples
como medio de desplazamiento. Muchos de estos
robots se diseñan para subir y trabajar en paredes o
tuberías. Algunas de las soluciones propuestas son
mecánicamente muy complejas, y requieren un alto
nivel del desarrollo y de la elaboración para el
control de su cinemática. (Jacker, 2013)
2. TIPOS DE ROBOTS ESCALADORES
La principal característica de un robot escalador es
movilizarse en superficies inclinadas, superficies
verticales o lugares donde debe adherirse. Estos se
diferencian unos a otros debido a su arquitectura y
principalmente por su sistema de adhesión que
depende estrictamente del área donde va a
desplazarse.
2.1. Robot escalador Rower: Este robot
cuadrúpedo de patas tipo SCARA fue desarrollado
en el año 1997 para realizar soldaduras del doble
fondo de los barcos ya que las malas condiciones de
trabajo de los operarios como concentraciones de
humo, oscuridad y la imprecisión de la soldadura
permitieron resolver el problema con la
construcción de un robot que posee un manipulador
de seis grados de libertad para manipular la antorcha
de soldadura. Además de poseer un sistema de
visión estereoscopia y una estación de control para
vigilar los parámetros de soldadura. (Lopez, 2001)
Figura 1. Robot Rower entre celdas interiores de un barco
Fuente:
http://Jacker2013.udlap.tales/documentos/capitulo3.pdf
2.2. Robot escalador Rest 1: Fue construido en el
año 1997 al igual que el Rower para facilitar labores
de soldadura en las caras planas de los buques que
se encuentran en el casco interior. Este robot no
utiliza ventosas en sus patas sino más bien
electroimanes lo que permite adherirse al casco del
barco; tienen seis patas. (Malise, 2012)
Figura 2. Robot Rest-1 superficie magnética
Fuente:
http://Jacker2013.udlap.tales/documentos/capitulo3.pdf.
2.3. Robot escalador Rest-2: Este robot es de
menor peso que su antecesor, sus patas constan de
dos eslabones con un extremo común donde
contiene una articulación prismática. Cada extremo
libre de un eslabón se desplaza de forma horizontal
a lo largo del robot, si los dos lados se desplazan al
mismo sentido el robot puede desplazarse adelante
o atrás, en cambio sí es en sentido contrario este
podrá girar. Las patas en sus terminales contienen
electroimanes que permiten adherirse a las paredes
metálicas. Poseen cuatro patas, la dimensión
aproximada de este robot es de 800 x 360 x 250 mm
con un peso de 400kg. (Morrison, 2009).
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Figura 3. Robot Rest-2
Fuente: http://Jacker2013.udlap.tales/documentos/capitulo3
2.4. Robot escalador Rosy: Robot Sistem de
Yberle Alemania, es un escalador de superficies que
se desplaza por medio de una copa de succión. La
función es de limpiar, inspeccionar y pintar ya que
posee un completo kit de herramientas montables.
Sus movimientos son precisos y controlados por un
ser humano. (Norton, 2015)
Figura 4. Robot Rosy pinta superficies
Fuente: (Valero, 2011)
3. DISEÑO ELECTRÓNICO
En el diseño electrónico se explicara los principales
componentes y circuitos implementados para la
creación y funcionamiento de los robots
escaladores.
3.1. Micromotor con caja reductora: Estos
motores tienen una caja reductora, las relaciones de
éstas las hay en una amplia gama desde 5:1 hasta
1000:1 y existe cuatro tipos de motores: alta
potencia con escobillas de carbón (HPCB), alta
potencia (HP), media potencia (MP) y de baja
potencia. La alimentación de estos motores está
entre 3 a 9 V.
Figura 5. Micromotor 50:1 HP con caja reductora
Fuente: Elaboración Propia
3.2. Micromotor con caja reductora plástica:
Este motor DC posee una caja reductora plástica
integrada que le permite entregar un buen torque en
un tamaño pequeño y bajo voltaje. La carcasa del
motor es de plástico resistente, no tóxico y de color
amarillo. Estos motores son ideales para proyectos
de robótica móvil como robots seguidores de línea,
robots escaladores y robots velocistas. (Paltan,
2008)
Figura 6. Micromotor con caja reductora plástica
Fuente: Elaboración Propia
3.3. Drive de motor TB6612FNG: Es un
controlador (driver) de motor que permite manejar
dos motores de corriente continua a una corriente
constante de 1.2A y (pico de 3.2A) desde la placa
arduino o cualquier microcontrolador, variando
tanto la velocidad y el sentido de giro. (Patterson,
2014)
Figura 7. Driver TB6612FNG
Fuente: Elaboración Propia
3.4. Arduino Nano: Es un dispositivo o tarjeta
pequeña programable completa y compatible con
protoboards, basada en el microcontrolador. Tiene
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14 pines de entrada/salida digital (de los cuales 6
pueden ser usando con PWM), 6 entradas
analógicas, un cristal de 16Mhz, conexión Mini-
USB, terminales para conexión ICSP y un botón de
reseteo. Posee las mismas capacidades que un
Arduino UNO, tanto en potencia del
microcontrolador como en conectividad, solo se ve
recortado en su conector USB, conector jack de
alimentación y los pines cambia un formato de pines
header. (Perez, 2015)
Figura 8. Arduino Nano
Fuente: Elaboración Propia
3.5. Imanes de Neodimio: Es un imán permanente
que produce un campo magnético que atraen o
repelen a los metales a través de sus polos norte y
sur, son hecho de una aleación de neodimio, hierro
y boro para ser potentes.
Figura 9. Imanes de Neodimio
Fuente: Elaboración Propia
3.6. Circuito Implementado: Aquí se detallara la
forma de conexión de los elementos para el
funcionamiento de cada uno de los robots a los
cuales se les dio el nombre de Rize y Rollye.
3.6.1. Circuito electrónico del robot Rize: En el
diseño de la placa Arduino se realiza las conexiones
de los pines de entrada y salida de los componentes
que son:
• Pin A0 conexión hacia el led 1.
• Pin A1 conexión hacia el led 2.
• Pin VIN y GND fuente de alimentación de
la batería para el Arduino.
• Pin D3 conexión hacia el pin PWMA del
driver.
• Pin D4 conexión hacia el pin AIN2 del
driver para el terminal uno del motor.
• Pin D5 conexión hacia el pin AIN1 del
driver para el terminal dos del motor.
• Pin D6 conexión hacia el pin STBY del
driver.
• Pin D11 conexión hacia la resistencia.
• Pin D12 conexión hacia el pulsador.
• Pin GND tierra del circuito.
• Pin 5V voltaje de alimentación.
A continuación se muestra el diagrama
implementado para el robot Rize.
Figura 10. Conexión de los sensores hacia el Arduino
Diagrama esquemático del robot escalador Rize. (a).
Pulsador. (b). Resistencia. (c).
Leds. (d). Batería. (e). Arduino. (f). TB6612FNG. (g).
Micromotor.
Fuente: Elaboración propia
Al tener el diseño electrónico se realiza la PCB
como se muestra en la siguiente figura.
Figura 11. Pcb del robot Rize
Fuente: Elaboración Propia
3.6.2. Circuito electrónico del robot Rollye: Para
la implementación del circuito de este robot se
utiliza las mismas conexiones anteriores
incrementadas tres pines para el manejo del segundo
motor.
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• Pin D9 conexión hacia el pin PWMB del
driver.
• Pin D8 conexión hacia el pin BIN2 del
driver para el terminal uno del motor.
• Pin D10 conexión hacia el pin BIN1 del
driver para el terminal dos del motor.
A continuación se muestra el diagrama
implementado para el robot Rollye.
Figura 12. Diagrama esquemático del Robot Escalador
Rollye. (a). Pulsador. (b). Resistencia.
(c). Leds. (d). Batería. (e). Arduino. (f). TB6612FNG. (g).
Micromotores.
Fuente: Elaboración propia
Al tener el diseño electrónico se realiza la PCB
como se muestra en la siguiente figura.
Figura 13. Pcb del robot Rollye
Fuente: Elaboración Propia
4. DISEÑO MECÁNICO
Dentro del diseño mecánico se detallara las piezas
creadas para cada uno de los robots y sus
estructuras.
4.1. Diseño mecánico del robot Rize: El primer
robot escalador está dividido en tres partes
principales, estas serán diseñadas en el programa
SolidWorks ya que este permite dimensionar cada
una de las piezas.
4.1.1. Soporte principal: El soporte principal del
robot escalador 1 está diseñado a una medida de 120
mm de largo, 29 mm de ancho y 33 mm de altura
para que el motoreductor ingrese dentro del soporte
y quede fijo para realizar el movimiento de las
demás piezas, además de esto se incorporara la
fuente de energía y la placa electrónica que ira
cubierto encima del soporte, la altura total del robot
es de 53mm. En la figura 14 se muestra el diseño del
soporte.
Figura 14. Estructura Principal
Fuente: Elaboración Propia
4.1.2. Extremidades: Las extremidades están
diseñadas a una medida de 38 mm de altura con un
diámetro de 8 mm a cada lado como se puede ver en
la Figura 15.
Figura 15. Extremidades de sujeción
Fuente: Elaboración Propia
4.1.3. Patas: Las patas del robot tendrán una
dimensión de 115 mm, con una altura de 50 mm; el
diámetro interno del orificio es de 2 mm para
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introducir la barra de sujeción para el giro de las
patas. En la Figura 16 se muestra el diseño de las
patas.
Figura 16. Patas de movimiento
Fuente: Elaboración Propia
En la figura 17 se muestra el diseño completo del
robot Rize en Solid Work.
Figura 17. Robot Rize en SolidWork
Fuente: Elaboración Propia
Ya con el diseño completo se realizó la impresión
de la estructura y el armado. Finalmente se les
añadió a las patas mediante un plástico los imanes
de neodimio los cuales permitirán la sujeción a la
pared metálica. En la figura siguiente se muestra el
diseño final del robot.
Figura 18. Robot Rize
Fuente: Elaboración Propia
4.2. Diseño mecánico del robot Rollye: Este robot
usa el sistema de locomoción diferencial para su
funcionamiento, por lo cual se diseña la parte
estructural para que dé soporte a dos motores y los
demás componentes del robot.
4.2.1. Cuerpo Principal: El cuerpo principal se
diseña para montar dos motores y dar el movimiento
a las ruedas, también irá la placa electrónica y la
fuente de energía. Tiene una medida de 78 mm de
largo, 55 mm de ancho y 3 mm de diámetro para los
pernos de sujeción. En la figura 19 se muestra las
dimensiones del cuerpo principal.
Figura 19. Soporte principal del robot Rollye
Fuente: Elaboración Propia
4.2.2. Ruedas: Las ruedas son diseñadas de acuerdo
a las medidas del tamaño del cuerpo principal, ya
que en los cuatro lados de las ruedas se
implementará las tiras de plástico con sus
respectivos imanes, y el diámetro de las ruedas debe
coincidir con la medida del diámetro de la barra del
micromotor. En la figura 20 se puede observar el
diseño de las ruedas.
Figura 20. Ruedas del robot Rollye en SolidWoork
Fuente: Elaboración Propia
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La Figura 21 se muestra el diseño completo del
robot escalador Rollye.
Figura 21. Robot Rollye en SolidWork
Fuente: Elaboración Propia
Ya con el diseño completo se realizó la impresión
de la estructura y el armado. Finalmente se les
añadió a las patas mediante un plástico los imanes
de neodimio los cuales permitirán la sujeción a la
pared metálica. En la figura siguiente se muestra el
diseño final del robot.
Figura 21. Robot Rollye
Fuente: Elaboración Propia
5. ALGORITMO DE PROGRAMACIÓN
En los algoritmos se explicara la lógica de
programación implementada para el
funcionamiento de cada uno de los robots.
5.1. Programación del robot Rize: Para la
programación de este robot se tomó en cuenta que
usa un solo motor para el desplazamiento de sus
patas, por lo cual se diseñó un algoritmo que al
presionar un pulsador de inicio este encienda el
motor dc a una velocidad de 120 del PWM que
permite manejar el Arduino de esta manera mueve
sus extremidades y se desplaza.
5.2. Programación del robot Rolley: Para la
programación de este robot al tener dos motores y
que cada uno maneja una de sus extremidades. Se
creó un programa el cual al presionar un pulsador se
envié la velocidad de 120 de PWM al motor A y 130
de PWM al motor B, de esta manera permitiendo el
desplazamiento en línea recta.
6. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Dentro de las pruebas se puso a pruebas los
prototipos en una pared metaliza de un metro para
medir los tiempos que se demora en subir. Y se
realizó una comparativa de las características
técnicas de cada uno.
6.1. Características técnicas de cada robot: Aquí
se mostrara las características de Ancho, largo y
peso que los prototipos tuvieron al finalizar su
construcción. En las siguientes tablas se detalla cada
una.
Tabla 1: Características técnicas del robot Rize
Medida
Largo
200mm
Ancho
29mm
Peso
0.5kg
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 2: Características técnicas del robot Rollye
Medida
Largo
78mm
Ancho
55mm
Peso
0.5kg
Fuente: Elaboración Propia
Como se puede observar en ambos robots se tuvo un
peso igual. Pero las dimensiones variaron en ancho
y largo.
6.2. Tiempo de subida de los robots: después de
realizar la calibración de cada uno de los robots se
tomó los mejores tiempos de cada uno en escalar
una pared de un metro de altura para hacer una
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comparativa e identificar la estructura que tuvo un
mejor desempeño. A continuación se muestra la
tabla de datos obtenidos y la figura de la pared
metálica en la que se realizó las pruebas.
Figura 22. Pared metálica para pruebas
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 3: Tiempos de subida de cada robot
Rize
Tiempo (s)
7.15
Fuente: Elaboración Propia
Como se puede observar el robot Rollye tuvo un
mejor tiempo al escalar la pared metálica ya que este
al poseer dos motores tenía mayor torque para
desplazar todo su peso. Pero este robot tiende a
desplazar de forma inclinada ya que los motores no
giran a la misma velocidad.
En cambio el robot Rize aunque tuvo un tiempo
mayor en el escalar la pared metálica este siempre
se desplaza en línea recta ya que sus dos ejes esta
unidos al mismo motor evitando que se incline.
7. CONCLUSIONES
El micromotor pololu (12 V) de engranajes
metálicos, fueron los que dieron mejores
resultados para el giro de las ruedas ya que
son livianos de alta potencia a 250 RPM y
100 mA sin carga esto ayuda al robot que sea
más rápido al momento de escalar la pared
metálica para que pueda competir en los
torneos de robótica.
De acuerdo al estudio técnico realizado se
utilizó el Arduino Nano que es una versión
más pequeña del Arduino Uno ya que posee
un micro controlador ATMEGA 328, tiene
una memoria flash de 32 KB, tiene 2KB de
memoria RAM y posee una memoria
EPROM DE 1KB que sirve para almacenar
datos; y subir la programación del trabajo
del robot.
Para la impresión del diseño mecánico de los
robots escaladores se utilizó el material
PLA, este es un plástico resistente y duro ya
que las piezas están expuestas a caídas y
golpes al momento del funcionamiento.
El diseño electrónico de los robots es
diseñado en el programa proteus donde se
realizó la conexión de los componentes,
mediante pistas para la impresión en la placa
(baquelita) y se lo puede visualizar de una
forma técnica.
Se utilizó el driver del motor TB6612FNG
para controlar desde el software el sentido de
giro de los motores y energizar, ya que si
conectamos directamente el motor al
Arduino no se puede porque los pines
digitales del Arduino pueden suministrar
una corriente hasta de 40 mA muy por
debajo de casi 1600 mA que necesita el
motor para poder funcionar, por esta razón
se utiliza este driver.
8. RECOMENDACIONES
Al momento de construir los robots se debe
realizar de una forma ordenada desde el
diseño mecánico, electrónico hasta la
construcción e implementación de la placa
de control, y verificar si funciona
correctamente, es recomendable desarrollar
el programa de control por partes para ir
probando que todo está bien, con lo cual el
desarrollo se haría ordenadamente y después
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no se invertiría mucho tiempo en la
búsqueda de problemas en el código.
Para el buen funcionamiento de los robots es
recomendable dar buen mantenimiento a los
micromotores, y así verificar que estos se
encuentren correctamente ajustados para que
las cajas reductoras no tengan problema.
Si se desea realizar un robot escalador de
competencia que suba a una velocidad
rápida se debe cambiar en la programación
la velocidad de los motores que va desde 0 a
255.
Cada vez que se utilice los robots se debe dar
limpieza a los imanes porque estos atraen
suciedad y al momento de trepar los robots
se pueden caer ya que no atraen bien las
patas donde están sujetos los imanes en la
pared metálica.
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